Capítulo 6 - METODOLOGÍA DE DISEÑO

            Para lograr el óptimo desempeño de un motor de combustión interna (CI), es necesario enfocar nuestra atención en el diseño del MA. Como se menciona en el capítulo anterior, el trabajo principal del sistema es la de distribuir una cantidad idéntica de aire a cada cilindro del motor. Una distribución que no es idéntica provoca que la eficiencia volumétrica de cada cilindro sea distinta entre cada uno, pérdida de potencia así como incremento en el consumo de combustible [9].

            El recurrir a una geometría simétrica en el diseño del MA, es un factor que ayuda y simplifica la labor de diseño [9], siempre y cuando la disposición y espacio lo permitan. La geometría del MA tiene una gran influencia sobre la eficiencia volumétrica en el motor CI [10].

6.1 Restricciones de diseño

            En el diseño del MA se tuvieron que considerar las limitantes o restricciones de diseño, mismas que se publican en el reglamento de la FSAE 2010, con el objetivo de regular aspectos de seguridad y controlar el correcto desarrollo durante los eventos de la competencia mediante inspecciones técnicas y de seguridad. Básicamente para el diseño del MA el reglamento  indica la cilindrada máxima que puede tener un vehículo FSAE así como cuestiones de packaging para el sistema. A continuación se enlistan los puntos del reglamento que el subsistema debe que cumplir:

6.1.1 Resumen de reglamento 

            De los incisos del reglamento publicado por la SAE International para la categoría FSAE para el año 2010, a continuación se presentan los puntos más importantes a considerar para el diseño del MA:

1.- La potencia para propulsar al vehículo debe provenir de un motor(es) CI de tipo reciprocante, de 4 ciclos y con un desplazamiento por ciclo no mayor a los 610CC.

2.- Todos los componentes del sistema de admisión de aire y combustible deben colocarse de tal forma que no rebasen los planos imaginarios que describen el soporte de protección para volcaduras y las cuatro llantas, tal como lo muestra la siguiente figura:

3.- El sistema de admisión de aire debe contar con un restrictor circular de flujo, colocado entre la compuerta de admisión y el motor. Todo flujo hacia el motor debe pasar por tal componente y debe tener un diámetro de 20.0 mm para autos con combustible convencional y de 19.0 mm para combustible E-85.

4.- El uso de turbocargador o supercargador es permitido siempre y cuando la adaptación haya sido diseñada para el motor, y no por el contrario, sea un motor que cuente originalmente con alimentación forzada desde fábrica.

5.- El MA debe  fijarse al motor o a las cabezas del los cilindros de forma segura mediante el uso de seguros mecánicos.

6.2 Selección de componentes y configuración

6.2.1 Motor

            Este trabajo no pretendió ahondar en la selección del motor CI, por el contrario dicho componente fue elegido por el equipo de ingeniería con consentimiento del Ing. David Abraham Barrera García, tomando en consideración en primer lugar la experiencia de otros equipos, en segundo lugar el costo y por último la disponibilidad de refacciones en el mercado. Fue así como se obtuvo un motor de una motocicleta deportiva marca Yamaha YZFR6 modelo 2008, con las siguientes especificaciones:

Tabla 2: Especificaciones del motor Yamaha YZFR6 2008.

6.2.2 Método de admisión

            Tal como se menciona anteriormente el tipo de admisión está a elección libre del equipo y puede ser natural o forzada. Para la segunda se debe diseñar la aplicación, es decir, se deberá acoplar el turbocargador o supercargador a un motor que originalmente no contaba con dicho componente de fábrica. La decisión sobre qué tipo de alimentación utilizar se basó en una matriz de decisión que permitiera identificar la configuración que se acopla mejor a los objetivos y capacidades del equipo. La evaluación se realizó con una escala del 1 al 10, siendo 10 el puntaje que satisface de mejor forma el objetivo y 1 para la configuración que satisface en menor forma a cada uno de los principales aspectos o características de interés. Una vez asignada la calificación de evaluación, se multiplicó por un factor de ponderación del 1 al 5, siendo 5 el nivel de mayor interés.

           Tabla 3: Tabla de decisión del método de aspiración.

Como se puede ver en la tabla anterior, el sistema de admisión natural posee características tales como simpleza y menor costo, frente a las opciones con turbo o supercargador, al igual se provee un bajo costo de mantenimiento puesto que el desgaste de las piezas del múltiple y del motor es menor. Con una alimentación forzada se tiene que contemplar que los pistones originales de la motocicleta deben que ser reemplazados por unos que resistan presiones de trabajo superiores a las que estaría diseñada desde fábrica y por otro lado se debe considerar que un sistema con admisión forzada requiere una disipación mayor de calor y así poder mantener el motor trabajando en condiciones óptimas. Cuando se implementa un turbo o supercargador se puede incrementar el peso del vehículo entre 30 y 40 kilogramos, no obstante se aumenta la potencia del motor entre 20 y 30 kW gracias a que entra una mayor cantidad de aire al cilindro por cada ciclo de trabajo [2]. En lo que se refiere a la conducción, el uso de un turbocargador plantea un problema en particular puesto que requiere que el piloto sea más experimentado ya que puede perder el control del vehículo con mayor facilidad cuando conduce sobre una pista con muchas curvas, lo ideal es que el motor responda de una forma suave y progresiva [16]. La maniobrabilidad y aceleración son factores más importantes, en el Autocross, que la capacidad de desarrollar una alta velocidad. En competencia la velocidad máxima permitida a los equipos es de 100 km/h [1]. Por último, un estudio comparativo [12] muestra que en la competencia FSAE 2007, únicamente once equipos de noventa y tres en total, contaban con turbocargador y solo un equipo de ese grupo logró finalizar entre los diez primeros lugares de la competencia.

            Con base en los argumentos planteados en el párrafo anterior, fue que se tomó la decisión de adoptar un tipo de admisión natural para cubrir con los objetivos de diseño del vehículo y descartar las complicaciones en las que se puede caer al tratar de acoplar un sistema de admisión forzada ya que como se muestra en el estudio comparativo, no garantiza una ventaja competitiva sobre los demás competidores; por el contrario un vehículo cuya confiabilidad sea elevada con base en su desempeño y una etapa de pruebas previo a la  competencia, tendrá mayores probabilidades de finalizar la carrera y de ganar.

6.2.3 Tobera

            Dentro de todos los componentes que conforman el sistema de MA, sin lugar a duda, el restrictor fue el componente que se debe abordó con especial atención en cuanto a su diseño y análisis por ser el lugar en donde el flujo puede alcanzar velocidades superiores a la velocidad del sonido. El diseño del restrictor de flujo es semejante al de una tobera convergente-divergente, que como ya se mencionó en el capítulo 4, dependiendo de la relación de presión a la entrada y salida, se pueden presentar fenómenos como ondas de choque que limiten el flujo máximo de aire que puede pasar a través de la garganta.

            Para la etapa de diseño conceptual, se realizaron diez configuraciones geométricas preliminares con base en el estudios previos [6] sobre difusores. No obstante, se incorporaron a dichos casos parámetros geométricos de personal interés como el efecto sobre el flujo en la reducción de la distancia boca-garganta (C), el uso de una tobera divergente tipo spline y diámetro de boca (A).

            Para diseño de la tobera, se evaluaron los siguientes casos, modificando los parámetros geométricos de acuerdo a la siguiente tabla:

     Tabla 4: Descripción geométrica de los casos evaluados.

                                                       * (B) es un parámetro restringido por reglamento.

El tipo de entrada spline es como la que se muestra en la Fig. 35, ambos extremos de la curva son tangentes a la horizontal. Para los casos 5 y 6, la distancia (C) se modificó como parte de la experimentación, con el objetivo de saber si la reducción de la distancia boca-garganta aportaba un beneficio al desempeño y de esta forma poder aplicar tal información en el diseño final, más adelante se presentan las conclusiones respectivas tal parámetro establecido de forma preliminar. La distancia (D) se fijó tomando en cuenta el espacio máximo disponible para tobera dentro del ensamble del MA. Para todos los casos se simuló una presión de entrada absoluta de 0.9 atm  y una presión de salida de 0.7369 atm. Cada problema se modeló como un caso 2D axi-simétrico con mallado estructurado de 69,102 celdas cuadriláteras, estado estable y los valores de las propiedades del aire fueron tomadas de la tabla 5 [17].

Tabla 5: Propiedades aire a 300K, Flujo compresible.

Cada resolución se simuló a 3000 iteraciones y aproximadamente 24 horas de cómputo en total. El criterio utilizado para evaluar la convergencia de los resultados fue el flujo másico de aire a la salida. A cada iteración se reportó el flujo de salida de aire, y una vez que la fluctuación de dicho flujo se redujo a un nivel de diferencia con respecto al flujo de entrada de 0.05 kg de aire, se determinó que la corrida había concluido. El flujo reportó ser estable aproximadamente a 2,500 iteraciones pero se estandarizó a 3,000 iteraciones para todos los casos con el fin de garantizar su confiabilidad.

Se probaron dos configuraciones distintas con varios sub-casos respectivamente. La primera configuración tiene una región de entrada de 52 mm y la segunda de 42 mm dado que son las medidas de dos tipos de cuerpos de aceleración comerciales que podrían emplearse. En la primera configuración se varió el ángulo de salida Ф y la distancia de entrada a garganta (C), con el objetivo de observar trayectorias de flujo, zonas de flujo adverso, ondas de choque y posibles bloqueos de flujo, entre otros aspectos. La importancia de analizar el comportamiento del flujo a través del venturi radica en que es la zona en donde el flujo de aire alcanza su mayor velocidad del orden subsónico a sónico. El análisis de esta información permitió elegir la geometría que provoca la menor pérdida de carga posible en el diseño del venturi.

A continuación se muestran los resultados gráficos: Fig. 36(a), vectores de velocidad [ms-1] con su respectivo gráfico de velocidad de flujo monitoreado en la salida del difusor. Por ser un estudio axi-simétrico, el eje de las abscisas representa la longitud medida de la pared al eje de simetría de la tobera.

            El siguiente grupo de figuras, Fig. 36(b), muestra el contorno de presiones al interior de la tobera. Recordemos que las condiciones de frontera a la entrada y salida son 0.9 atm y 0.7369 respectivamente, con lo cual se crea una relación de presión igual a 1.22. Tal relación de presión provoca que el aire se acelere a valores cercanos de flujo supersónico [17].

6.2.4 Plenum

El plenum funciona como un depósito en donde se almacena una masa de aire, y la presión al interior fluctúa dependiendo del régimen del motor. Entre otras funciones el plenum actúa como un atenuador de ondas, provocadas por los gases que salen a través de las válvulas de admisión de cada cilindro, y que pueden tener velocidades cercanas a la velocidad del sonido [7]. De esta forma se trata de impedir que las ondas de presión no causen un flujo adverso en los conductos o runners adyacentes [7]. Este efecto es indeseable ya que provoca que los gases se  dirijan en sentido opuesto al que deberían, con dirección a la cabeza del motor. Por lo tanto, se produce una reducción de la eficiencia volumétrica del motor debido a que la masa atrapada en el interior del cilindro es menor [7].

El volumen del plenum es un factor que altera el desempeño de  un motor CI [L.J. Hamilton y J.E. Lee]. Cuando un motor CI de 600CC tiene un plenum 8 veces mayor que su desplazamiento, es decir 4.8 L, la eficiencia volumétrica se incrementa hasta en un 14.5% [8]. Así mismo, con un plenum de 6.0 L la potencia y torque desarrollado por un motor CI con aspiración natural y con un restrictor de 20mm, puede llegar a ser de 53 kW a 9,500 RPM y una máxima de 63 kW a 12,000 RPM  [8].

            Los tres tipos distintos en la que se puede clasificar la geometría del plenum son: cónico central, extruido con toma superior y con toma lateral, principalmente [5]. Con base en las dimensiones disponibles para colocarlo dentro del vehículo, se decidió adoptar una geometría central cónica como primer fase en el diseño del MA, ya que es la geometría que presenta mejor distribución de flujo cilindro a cilindro [6]. Así mismo, es la configuración que emite menores emisiones de ruido como sistema de admisión [5]. Tal aspecto es deseable ya que las emisiones de ruido del vehículo por reglamento deberán  ser menores a 110dBA [1].

            Una vez seleccionado el tipo de geometría, cónico central, se aproximó la forma geométrica que podría tener el MA para ubicarse en el espacio designado, tomando en cuenta factores como ensamble de componentes propios del sistema y periféricos, restricciones de reglamento y viabilidad de manufactura. El volumen máximo del plenum se estableció, con base en datos experimentales [8], a un valor no mayor de 3.5 litros. Posteriormente, para realizar el análisis CFD se generó el sólido 3D del modelo virtual para generar una malla de 244,062 celdas tetraédricas.

Los valores de frontera asignados para la simulación fueron: presión absoluta a la salida igual a 0.6 atm [7], 300 k temperatura de entrada,  presión absoluta a la entrada de 0.9 atm y factor de rugosidad de la pared igual a 0.5 [17]. Al igual que en la simulación del restrictor, las propiedades del aire fueron tomadas de la tabla 5.

Tabla 6: Configuración geométrica del MA Beta.

Fig.40 Curva de velocidad del motor VS Duración de apertura de la válvula de admisión.

       De la misma forma en la que se evaluaron los casos del difusor, la simulación anterior se consideró como un problema en estado permanente puesto que los periodos de admisión de las válvulas de admisión decrecen conforme al incremento de la velocidad del motor, desde 0.023s a 0.002s, de acuerdo con la fig.40. Por ejemplo, a 6,000 RPM en 1s el motor aspira 200 veces aire para llenar las cámaras de combustión. 

Fig. 41 Múltiple de admisión Beta: a) Velocidad de flujo [ms-1] corte longitudinal del MA. b) Presión absoluta [atm] corte longitudinal del MA. c) Velocidad de flujo [ms-1] en plenum, corte transversal. d) Presión absoluta [atm] en plenum, corte transversal.

Fig.42 Curvas de convergencia del flujo másico a la salida [kg s-1] del MA Beta. a) Monitor del cilindro 1. b) Monitor del cilindro 2. c) Monitor del cilindro 3. d) Monitor del cilindro 4.

6.3 Análisis de Resultados

            Los resultados obtenidos en el análisis del flujo de aire al interior de la tobera, muestra que se cumple con la condición de no deslizamiento del flujo en la pared, como se corrobora en la Fig. 36(a). Cada uno de los perfiles para los diez casos evaluados, presenta una velocidad cero en las partículas que se encuentran en contacto con la pared, y conforme se alejan de la pared, su velocidad aumenta. 

            En los casos 3 y 4, con un semi-ángulo de salida a 5° y 7° respectivamente, se observa que a la salida hay presencia de una capa de flujo adverso, la cual produce una recirculación del flujo en sentido opuesto. Esto quiere decir que el incremento del semi-ángulo del difusor no aporta un beneficio al desempeño de la tobera, por el contrario, genera ondas de choque oblicuas con velocidades de flujo del orden de 389 ms-1. Por tal motivo ambas configuraciones fueron desechadas de la geometría final.

            Las geometrías del caso 1 y 6, son los casos que presentan la mayor caída de presión provocada por la onda de choque. También son las geometrías que provocan la mayor velocidad de flujo, 429 y 409 ms-1 respectivamente, lo cual hace pensar que los efectos de bloqueo de flujo son los más críticos dentro de todos los casos. Por tal motivo, fueron desechados de la geometría final.

Los casos 7 y 10 fueron los únicos que tienen una geometría formado por una curva tipo spline a la salida. Ambos casos presentaron una región de flujo adverso con recirculación que disminuía conforme se alejaba de la garganta hasta hacerse cero. Tal efecto reduce el área crítica de flujo y por lo tanto fue desechada la propuesta.

            Los casos 2 y 8 son en esencia muy parecidos, ambos tienen un difusor con un semi-ángulo de 3° y una entrada tipo spline. Lo único que los hace distintos es el diámetro de la boca. El primero se diseñó con una boca para un filtro de 52 mm de diámetro y el segundo para un diámetro de 42 mm. El flujo se comporta de una forma muy  parecida para ambos casos, como se muestra en las Fig. 43, 44 y 45; casi se encuentran una curva sobre otra. El único aspecto que pesaría para decidir qué configuración usar, se reduciría básicamente a la altura del filtro para cada caso. Por tal motivo, la geometría tipo 8 sería la elegida puesto que el filtro es más corto y su precio es menor.

            En general, casi todos los casos muestran un flujo supersónico ya sea en la garganta o posterior a este punto. Probablemente, en los casos en donde el flujo alcanza niveles superiores a Match igual a 1, sea porque la garganta o sección convergente-divergente puede acelerar suavemente un flujo subsónico hasta hacerlo supersónico, como se mencionó anteriormente. Por otra parte, es apreciable el cambio brusco de la velocidad del flujo que ocurre al atravesar la onda de choque.

            El único caso cuyo flujo es subsónico en todo el trayecto, desde la boca hasta la salida del difusor, es el caso 9. Dicho caso muestra un comportamiento ideal para la geometría final de la tobera. Se podría prestar a que se está incurriendo en un error a la hora de resolver por CFD el caso 9. La Fig. 38 muestra que las 18,000 iteraciones son suficientes para considerar que existe una convergencia numérica en el análisis CFD.

            De esta forma se concluye que para el diseño del conjunto tobera-garganta-difusor, los parámetros geométricos del caso 9 son los óptimos ya que el número de Match del flujo se encuentra en un rango subsónico, lo que permite suponer que el flujo no se ha bloqueado permitiendo de esta forma admitir una mayor cantidad de aire por segundo, comparada con las otras geometrías evaluadas. 

            El perfil de flujo en los runners en la configuración Beta, presenta ciertos problemas como se muetra en la Fig. 41 (c). Los radios de curvatura de los ductos afecta a la velocidad que alcanza el flujo. Se puede observar que el aire “busca” la forma más fácil para atravesar  desde el plenum hasta la entrada de la cámara de combustión. Por tal motivo, se decidió rediseñar los runners, adoptando una geometría lo más recta posible para generar la menor pérdida de velocidad del flujo en tal zona.

De la Fig. 42, los historiales de convergencia del flujo a la salida en cada runner, muestran que en la geometría del plenum tipo cónica, el flujo se comporta de una forma homogénea, con variaciones de 0.05 kgs-1. Esto permite suponer que la presión y la cantidad de aire que llega a cada cilindro son muy parecidas entre sí. No obstante, las evaluaciones de reales son necesarias para corroborar dicho comportamiento.